(57)【要約】【課題】超伝導電子デバイスに関し、時間依存スイッチングを使用したマイクロ波領域における量子信号の経路付けのための方法、超伝導ルータ、超伝導サーキュレータおよびシステムを提供。【解決手段】超伝導ルータは、第１のモードにおいて動作される。信号を反射させるために、ポートは、第１のモードにおいて、反射状態にあるように構成されている。超伝導ルータは第２のモードにおいて動作される。ポートのうちの所与の対が、第２のモードにおいて、ともに接続され、伝送状態にあり、信号が、ポートのうちの所与の対の間を通過することを許可されるようにしている。システムは、量子システムと、量子システムに接続された超伝導マイクロ波スイッチとを含む。超伝導マイクロ波スイッチは、入力ポートにおいて読出信号を受信するように構成され、読出信号は、共通ポートを介して量子システムに伝送される。超伝導マイクロ波スイッチは、量子システムから反射された読出信号を、出力ポートにおいて出力するように構成されている。【選択図】図２３
2019537241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導ルータを構成する方法であって、
前記超伝導ルータを第１のモードにおいて動作させることであって、信号を反射させるために、ポートが、前記第１のモードにおいて反射状態にあるように構成される、前記動作させることと、
前記超伝導ルータを第２のモードにおいて動作させることであって、前記ポートのうちの所与の対が、前記第２のモードにおいて、ともに接続され、伝送状態にあり、前記信号が、前記ポートのうちの前記所与の対の間を通過することを許可されるようにする、前記動作させることと
を含む、方法。
【請求項２】
前記ポートは、あらかじめ定義された前記信号の周波数について、前記第１のモードにおいて反射状態にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ポートのうちの前記所与の対は、あらかじめ定義された周波数について、前記第２のモードにおいて伝送状態にある、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ポートは、互いに分離されるように構成され、任意のポートが、別のポートから分離されるように制御可能となるようにする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記超伝導ルータが、超伝導材料を備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記超伝導ルータが、前記ポートに関連付けられた同調可能フィルタを備え、前記同調可能フィルタが、前記第１のモードおよび前記第２のモードにおいて動作するように制御可能となるようにする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記同調可能フィルタは、前記第１および前記第２のモードにしたがって、開かれたスイッチおよび閉じられたスイッチとして動作するように構成された、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のモードでは、あらかじめ定義された前記信号の周波数について、前記ポートのうちの前記所与の対が、伝送状態にある一方、前記ポートのうちの他のポートが、反射状態にある、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記信号がマイクロ波領域内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ポートのうちの前記所与の対は時間依存性があり、前記ポートのうちの前記所与の対の選択が、定義された時間スキームにしたがって変化するように構成されるようにする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ポートのうちの前記所与の対は、前記ポートから任意に選択されるように構成された、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ポートのうちの前記所与の対は、定義された時間において、前記ポートから選択されるように構成された、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記超伝導ルータは、超伝導材料を有する無損失マイクロ波スイッチである、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
超伝導サーキュレータを構成する方法であって、
出力ポートが反射状態にある間、入力ポートにおいて読出信号を受信するように前記超伝導サーキュレータを動作させることであって、前記読出信号は、共通ポートを介して量子システムへ伝送され、前記読出信号は、反射された読出信号を、前記量子システムから共振させるように構成された、前記動作させることと、
前記入力ポートが反射状態にある間、前記出力ポートにおいて、前記反射された読出信号を出力するように前記超伝導サーキュレータを動作させることと
を含む、方法。
【請求項１５】
遅延線が、前記読出信号および前記反射された読出信号の伝送を遅延させる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記入力ポートを伝送状態において動作させることと、前記入力ポートを反射状態において動作させることとを切り替えるための遷移時間を提供することをさらに含み、前記遅延線が前記遷移時間を引き起こす、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記量子システムは、量子ビットに動作可能に接続された読出共振器を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記反射された読出信号が、前記量子ビットの量子情報を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１の同調可能フィルタが、前記入力ポートに接続され、前記第１の同調可能フィルタが、前記入力ポートが伝送状態または反射状態で動作することを許可するようにし、
第２の同調可能フィルタが、前記出力ポートに接続され、前記第２の同調可能フィルタが、前記出力ポートが伝送状態または反射状態で動作することを許可するようにする、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記サーキュレータが、超伝導材料を有する無損失マイクロ波スイッチである、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
超伝導ルータであって、
第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように構成されたポートであって、前記第１のモードでは、前記ポートは、信号を反射させるために反射状態にあるように構成される、前記ポートと、
前記第２のモードにおいて動作するように構成された前記ポートのうちの所与の対であって、前記第２のモードでは、前記ポートのうちの前記所与の対が、ともに接続され、伝送状態にあり、前記信号が、前記ポートのうちの前記所与の対の間を通過することを許可されるようにしている、前記所与の対と
を備えた、超伝導ルータ。
【請求項２２】
前記ポートは、あらかじめ定義された前記信号の周波数について、前記第１のモードにおいて反射状態にあり、
前記ポートのうちの前記所与の対は、前記あらかじめ定義された周波数について、前記第２のモードにおいて伝送状態にある、請求項２１に記載の超伝導ルータ。
【請求項２３】
同調可能フィルタが、前記ポートに関連付けられ、前記同調可能フィルタが、前記第１のモードおよび前記第２のモードにおいて動作するように制御可能となるようにしている、請求項２１に記載の超伝導ルータ。
【請求項２４】
超伝導サーキュレータであって、
第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように構成されるように、第１の同調可能フィルタに接続された入力ポートと、
前記第１のモードおよび前記第２のモードにおいて動作するように構成されるように、第２の同調可能フィルタに接続された出力ポートであって、前記第１のモードでは、前記出力ポートが反射状態にある間、前記入力ポートは、読出信号を受信するように構成され、前記読出信号は、共通ポートを介して量子システムに伝送され、前記読出信号は、反射された読出信号を前記量子システムから共振させるように構成され、前記第２のモードでは、前記入力ポートが反射状態にある間、前記出力ポートは、前記反射された読出信号を出力するように構成された、前記出力ポートと
を備えた、超伝導サーキュレータ。
【請求項２５】
システムであって、
量子システムと、
前記量子システムに接続された超伝導マイクロ波スイッチであって、前記超伝導マイクロ波スイッチは、入力ポートにおいて読出信号を受信するように構成され、前記読出信号は、共通ポートを介して前記量子システムに伝送され、前記超伝導マイクロ波スイッチは、出力ポートおいて、前記量子システムからの反射された読出信号を出力するように構成された、前記超伝導マイクロ波スイッチと
を備えた、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電子デバイスに関し、より詳細には、時間依存スイッチング（timedependent switching）を使用したマイクロ波領域における量子信号の循環／経路付けに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線周波数（ＲＦ）およびマイクロ波スイッチは、伝送経路を介して高周波信号を経路付けるためのデバイスである。ＲＦおよびマイクロ波スイッチは、機器とデバイスとの間の信号経路付けのためにマイクロ波テストシステムにおいて広く使用されている。スイッチをスイッチ・マトリクス・システム（switch matrix system）に組み込むことで、多数の機器からの信号を、単一または多数のデバイスに経路付けることができる。電気的なスイッチと同様に、ＲＦおよびマイクロ波スイッチは異なる構成になっており、多くの異なる用途に合わせて、複雑なマトリクスや自動テストシステムを作成するための柔軟性を提供する。
【０００３】
物理学およびコンピュータ科学において、量子情報は、量子システムの状態で保持される情報である。量子情報は、量子情報理論における研究の基本的実体であり、量子情報処理として知られる工学技術を使用して取り扱われ得る。古典的な情報がデジタルコンピュータで処理され、場所から場所へ伝送され、アルゴリズムを用いて取り扱われ、そしてコンピュータ科学の数学を用いて分析されるのと同様に、類似の概念が量子情報にも適合する。超伝導量子ビットのような量子システムは、特にマイクロ波領域および赤外線領域において、電磁ノイズに非常に感度が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、時間依存スイッチングを使用したマイクロ波領域における量子信号の経路付けのための方法、超伝導ルータ、超伝導サーキュレータおよびシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導ルータを構成する方法が提供される。この方法は、超伝導ルータを第１のモードにおいて動作させることを含み、ポートは、信号を反射させるために、第１のモードにおいて、反射状態にあるように構成されている。また、この方法は、超伝導ルータを第２のモードにおいて動作させることを含み、ポートのうちの所与の対が、第２のモードにおいて、ともに接続され、伝送状態にあり、信号は、ポートのうちの所与の対の間を通過することを許可されるようにしている。
【０００６】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導サーキュレータを構成する方法が提供される。この方法は、出力ポートが反射状態にある間、入力ポートにおいて読出信号を受信するように超伝導サーキュレータを動作させることを含む。読出信号は、共通ポートを介して量子システムに伝送され、読出信号は、反射された読出信号を、量子システムから共振させるように構成されている。また、この方法は、入力ポートが反射状態にある間、反射された読出信号を、出力ポートにおいて出力するように超伝導サーキュレータを動作させることを含む。
【０００７】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導ルータが提供される。超伝導ルータは、第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように構成されたポートを含む。第１のモードでは、ポートは、信号を反射させるために、反射状態にあるように構成されている。超伝導ルータは、第２のモードにおいて動作するように構成されたポートのうちの所与の対を含む。第２のモードでは、ポートのうちの所与の対が、ともに接続され、伝送状態にあり、信号が、ポートのうちの所与の対の間を通過することを許可されるようにしている。
【０００８】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導サーキュレータが提供される。超伝導サーキュレータは、第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように第１の同調可能フィルタ（tunable filter）に接続された入力ポートと、第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように第２の同調可能フィルタに接続された出力ポートとを含む。第１のモードでは、入力ポートは、出力ポートが反射状態にある間、読出信号を受信するように構成され、読出信号は、共通ポートを介して量子システムに伝送される。読出信号は、反射された読出信号を、量子システムから共振させるように構成されている。第２のモードでは、出力ポートは、入力ポートが反射状態にある間、反射された読出信号を出力するように構成されている。
【０００９】
１つまたは複数の実施形態によれば、システムが提供される。このシステムは、量子システムと、量子システムに接続された超伝導マイクロ波スイッチとを含む。超伝導マイクロ波スイッチは、入力ポートにおいて読出信号を受信するように構成され、読出信号は、共通ポートを介して量子システムに伝送される。超伝導マイクロ波スイッチは、量子システムから反射された読出信号を、出力ポートにおいて出力するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施形態は、以下の添付の図面を参照して、単なる例として説明される。
【図１】１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図２】１つまたは複数の実施形態にしたがう図１における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータのブロック図である。
【図３】１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして伝送を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図４】１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして反射を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図５】１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図６】１つまたは複数の実施形態にしたがう図５における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータのブロック図である。
【図７】１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図８】１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図９】１つまたは複数の実施形態にしたがうＮポート超伝導マイクロ波スイッチ／ルータの概略図である。
【図１０】１つまたは複数の実施形態にしたがって超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１１】１つまたは複数の実施形態にしたがって超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１２】１つまたは複数の実施形態にしたがって超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１３】１つまたは複数の実施形態にしたがって超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図１４】１つまたは複数の実施形態にしたがって、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータが、ノードの任意の対の間を接続することができる概略図である。
【図１５】１つまたは複数の実施形態にしたがって、すべての同調可能フィルタが反射状態にある超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを描写する。
【図１６】１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間の伝送を許可する構成における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを描写する。
【図１７】１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間の伝送を許可する構成における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを描写する。
【図１８】１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間の伝送を許可する構成における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを描写する。
【図１９】１つまたは複数の実施形態にしたがう第１のタイミングにおける例示的なシナリオを描写する。
【図２０】１つまたは複数の実施形態にしたがう第２のタイミングにおける例示的なシナリオを描写する。
【図２１】１つまたは複数の実施形態にしたがう第３のタイミングにおける例示的なシナリオを描写する。
【図２２】１つまたは複数の実施形態にしたがう第４のタイミングにおける例示的なシナリオを描写する。
【図２３】１つまたは複数の実施形態にしたがって、超伝導ルータを構成する方法のフローチャートである。
【図２４】１つまたは複数の実施形態にしたがって、超伝導サーキュレータを構成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
様々な実施形態が、関連する図面を参照して本明細書で説明される。本書面の範囲から逸脱することなく、代替実施形態が考案され得る。以下の説明および図面において、様々な接続および位置関係（たとえば、上、下、隣接等）が要素間で記述されていることに留意されたい。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、別段の指定がない限り、直接的または間接的であり得、この観点において限定することは意図されていない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合を称することができ、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係になり得る。間接的な位置関係の一例として、層「Ｂ」上に層「Ａ」を形成することに対する参照は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が、中間層によって実質的に変化されない限り、１つまたは複数の中間層（たとえば、層「Ｃ」）が、層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。
【００１２】
１つまたは複数の実施形態によれば、超伝導（または無損失）マイクロ波スイッチ／ルータにより、回路の異なるノード間または異なるポート間で、オンデマンドで量子信号を経路付けることができる。超伝導マイクロ波スイッチは、量子情報処理の分野において多くのアプリケーションを有することができる。たとえば、超伝導マイクロ波スイッチは、時間多重化読出、時間多重化駆動（たとえば、交差−共振駆動（cross-resonance drive））、いくつかのデバイスの時間多重化特徴付け、量子システム対間の時間多重化相互作用、時間依存信号循環等のために利用され得る。
【００１３】
１つまたは複数の実施形態によれば、１つの入力ポートおよびＮ個の出力ポートを有することができる超伝導マイクロ波スイッチが提供される。また、超伝導マイクロ波スイッチは、１つの出力ポートおよびＮ個の入力ポートを有することができる。超伝導マイクロ波デバイスのポートのおのおのは、同じ特性インピーダンスＺ０を有するように設計されている。１つの実施態様では、各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場で（in-situ）カットオフ周波数が同調され得る同調可能低域通過フィルタ（tunable low-pass filter）を介して接続されている。同調可能低域通過フィルタは、直列誘導素子（たとえば、直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ））および分路容量素子（たとえば、ランプ素子キャパシタ（lumped-element capacitor））のラダー（ladder）を使用して実施され得る。別の実施態様では、各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場でカットオフ周波数が同調され得る同調可能高域通過フィルタを介して接続され得、同調可能高域通過フィルタは、直列容量素子（たとえば、ランプ素子キャパシタ）および分路誘電素子（shunt inductive element）（たとえば、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）を使用して実施され得る。
【００１４】
ここで、図面に目を向けると、図１は、１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図１は、同調可能フィルタ２０に基づく超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロックを構築することを例示している。この例では、同調可能フィルタ２０は、同調可能低域通過フィルタ（ＴＬＰＦ）である。
【００１５】
この例では、マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、たとえば、ポート１およびポート２のようなポート１０を含む。ポート１０は、入出力ポートである。同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変誘導素子（variable inductor）Ｌ１（および、他の例は、以下でさらに論じられるＬ２、Ｌ３およびＤＣ−ＳＱＵＩＤを含む）として指定された可変インダクタ４０を含み、各単位セル６０は、容量素子Ｃとして指定されたキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ１４０はポート１０と直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタ４０の一端およびグランドに接続されている。合計でＮ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに（直列に）接続されている。Ｎ個の単位セルのために、インダクタＬ１４０が直列に接続され、各インダクタＬ１４０は、それぞれのキャパシタ５０によってグランドへ分路される。ポート１０、可変インダクタＬ１４０、およびキャパシタＣ５０の相互接続は、伝送線３０による。伝送線３０は、マイクロ波信号をポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２に、またはその逆に搬送するための超伝導ワイヤまたは導波管として作用する。同軸ケーブルは、ポート１０の外部端に接続され、一方の同軸ケーブルが、マイクロ波信号を入力し、他方の同軸ケーブルが、マイクロ波信号を出力することができる。伝送線３０は、ストリップ線、マイクロストリップ等であり得る。可変インダクタ４０、キャパシタ５０、および伝送線３０は、超伝導材料製である。（たとえば、約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋのような低温における）超伝導材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含む。
【００１６】
図２は、１つまたは複数の実施形態にしたがう図１における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロック図である。図２は、同調可能フィルタ２０の内部詳細を描写していない図１に等価な回路である。
【００１７】
超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を通って伝送されるマイクロ波信号は、中心角周波数ω０を有すると仮定され得る。インピーダンス指定Ｚ０は、（入力ポートおよび出力ポートまたはその逆であり得る）ポート１およびポート２における特性インピーダンスである。たとえば、特性インピーダンスＺ０は、各ポートにおいて５０オーム（Ω）であり得る。
【００１８】
個々の単位セル６０について、インピーダンスはＺ１であり、ここで、
【数１】
2019537241.tif 000003
であり、単位セル６０の角周波数ω１は
【数２】
2019537241.tif 000004
である。ωＣとして示される同調可能フィルタ２０のカットオフ角周波数は、単位セル６０（または、ともに追加された多数の単位セル）の角共振周波数ω１のオーダであり、ω１に相関付けられ、ωＣは、ω１とともに増加および減少することを意味する。ωＣの、ω１に対する、および、単位セルの数Ｎに対する正確な依存性は、マイクロ波シミュレーションまたは計算によって見出され得る。このことから、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣは、（１つまたは複数の単位セル６０について）可変インダクタＬ１４０およびキャパシタＣ５０の値に依存することになる。特に、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスは、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣを制御することにより、同調可能フィルタ２０がマイクロ波信号（中心角周波数ω０）に対して伝送または反射で動作する場合を制御する。可変インダクタＬ１４０のインダクタンスは、カットオフ周波数ωＣと逆の関係を有する。たとえば、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスが増加されると、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣが減少される。逆に、可変インダクタＬ１４０のインダクタンスが減少されると、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣが増加される。単位セルのインダクタンスを変動させることは、フィルタのカットオフ周波数を変化させるのみならず、その特性インピーダンスをも変化させることに留意されたい。したがって、スイッチが閉じられている場合、すなわち伝送モードで動作しているときに、Ｚ１すなわちフィルタの特性インピーダンスが、ポートの特性インピーダンスと、可能な限り整合することが望ましい場合がある。
【００１９】
したがって、閉じたスイッチとして動作する場合、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、同調可能フィルタ２０における可変インダクタＬ１４０のインダクタンスを減少させることによって、ポート１からポート２（またはその逆）への伝送において、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）を通過させるように制御される。これによって、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）が、同調可能フィルタ２０の低域通過帯域に収まるようになる。開かれたスイッチとして動作する場合、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、同調可能フィルタ２０における可変インダクタＬ１４０のインダクタンスを増加させることによって、反射を使用して、ポート１からポート２（またはその逆）へのマイクロ波信号（中心角周波数ω０）の伝送を遮断するように制御される。これによって、マイクロ波信号（中心角周波数ω０）は、低域通過帯域の外となり、減衰される、言い換えれば、反射されるようになる。
【００２０】
超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の動作モードの動作をさらに説明するために、図３および図４が論じられる。図３は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして伝送を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図３では、同調可能フィルタ２０は、デバイスポートを通過して到来するマイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣよりも小さく、すなわちω０＜ωＣとなるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５の周波数は、同調可能低域通過フィルタ２０のカットオフ周波数よりも小さいため、同調可能フィルタ２０は伝送で動作するように構成されている。この条件では、マイクロ波信号３０５が、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２へ伝送され、マイクロ波信号３０５が、所望通りに出力されるようになる。
【００２１】
図４は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、動作モードとして反射を例示する超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図４では、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣよりも高く、すなわち、ω０＞ωＣとなるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５の周波数が、同調可能低域通過フィルタ２０のカットオフ周波数よりも高いため、同調可能フィルタ２０は反射で動作するように構成されている。この条件では、マイクロ波信号３０５がポート１から入ると、同調可能フィルタ２０がマイクロ波信号３０５を反射するので、マイクロ波信号３０５はポート２への通過を遮断され、マイクロ波信号３０５は、ポート１からポート２へ通過することはできない。
【００２２】
図５は、１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図６は、１つまたは複数の実施形態にしたがう、図５における超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のブロック図である。図６は、同調可能フィルタ２０の内部詳細が描写されていない図５に等価の回路であり、図５および図６は、図５および図６が２つのポートの代わりに、３つのポートに拡張されていることを除いて、図１および図２に類似している。超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、実施形態にしたがって、必要に応じてＮ個のポートへ拡張され得ることが理解される。
【００２３】
図５および図６に描写される構成では、２つの同調可能フィルタ２０が存在する。一方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート２との間に接続され、他方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート３との間に接続されている。同調可能フィルタ２０のおのおのは、上述したように、１つまたは複数の単位セル６０から形成される。説明目的のために、１つまたは複数の可変インダクタ４０は、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０におけるＬ２として識別され、１つまたは複数の可変インダクタ４０は、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０におけるＬ３として識別される。ポート１とポート２との間、および、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、それぞれ、一方が伝送で、他方が反射で動作するように個々に制御される。
【００２４】
ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変インダクタＬ２４０およびキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ２４０は、ポート１およびポート２に直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタ４０の一端へ、および、グランドへ接続されている。ポート１とポート２との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続されている。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ２であり、ここで
【数３】
2019537241.tif 000005
であり、角周波数はω２であり、ここで
【数４】
2019537241.tif 000006
である。
【００２５】
同様に、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、１つまたは複数の単位セル６０を含む。各単位セル６０は、可変インダクタＬ３４０およびキャパシタ５０を含む。各単位セル６０において、可変インダクタＬ３４０は、ポート１およびポート３に直列に接続され、キャパシタＣ５０は、可変インダクタＬ３４０の一端へ、および、グランドへ接続されている。ポート１とポート３との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続され得る。ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ３であり、ここで
【数５】
2019537241.tif 000007
であり、角周波数はω３であり、ここで
【数６】
2019537241.tif 000008
である。
【００２６】
追加のポートおよび同調可能フィルタが、必要に応じて同様に追加され得ることが認識されるべきである。
【００２７】
図２では、単一の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数が、上記においてωＣとして指定された。図５および図６では、２つ以上の同調可能フィルタ２０が備えられているので、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０は、カットオフ周波数ωＣ２として指定され、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、カットオフ周波数ωＣ３として指定される。
【００２８】
ポート１からポート２（またはその逆）、または、ポート１とポート２との間、あるいはその両方の伝送におけるマイクロ波信号３０５の動作のために、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣ２よりも低くなるように調整され、一方ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート３との間のカットオフ周波数ωＣ３よりもはるかに高くなる、すなわち、ωＣ３＜＜ω０＜ωＣ２となるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５（ω０）が、カットオフ周波数ωＣ２よりも低いため、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、伝送で動作するように構成されているので、必要に応じてマイクロ波信号３０５が出力されるように、マイクロ波信号３０５は、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート２へ伝送される。同時に、ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５（ω０）がカットオフ周波数（ωＣ３）よりも高いので、反射で動作するように構成されており、そのためマイクロ波信号３０５は、ポート１とポート３との間の通過を遮断される。ポート１からポート２（またはその逆）への伝送のための追加条件は、インピーダンス整合のためのＺ２≒Ｚ０を含む。ポート１およびポート３からの、または、ポート１とポート３との間、あるいはその両方の反射のための追加条件は、Ｚ３＞＞Ｚ０を含む。
【００２９】
一方、ポート１からポート３（またはその逆）、または、ポート１とポート３との間、あるいはその両方の伝送におけるマイクロ波信号３０５の動作のために、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０のカットオフ周波数ωＣ３よりも小さくなるように調整され、一方ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５の中心角周波数ω０が、ポート１とポート２との間のカットオフ周波数ωＣ２よりもはるかに大きくなる、すなわち、ωＣ２＜＜ω０＜ωＣ３となるように調整される。この動作モードでは、マイクロ波信号３０５（ω０）が、カットオフ周波数ωＣ３よりも小さいため、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は伝送で動作するように構成されているので、必要に応じてマイクロ波信号３０５が出力されるように、マイクロ波信号３０５は、ポート１から同調可能フィルタ２０を介してポート３へ伝送される。同時に、ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５（ω０）がカットオフ周波数（ωＣ２）よりも高いので、反射で動作するように構成されており、そのためマイクロ波信号３０５は、この例では、ポート１とポート２との間の通過を遮断される。ポート１からポート３（またはその逆）への伝送のための追加条件は、インピーダンス整合のためのＺ３≒Ｚ０を含む。ポート１およびポート２からの、または、ポート１とポート２との間の、あるいはその両方の反射のための追加条件は、Ｚ２＞＞Ｚ０を含む。
【００３０】
図７は、１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図７は、図７が直流（ＤＣ）超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を利用した無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を実施していることを除いて図５および図６に類似している。図７では、（上述した）可変インダクタ４０のおのおのは、同調可能フィルタ２０において（可変）ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５として実施される。図７における同調可能フィルタ２０は、上述したように同調可能フィルタ２０のおのおのに対して伝送および反射で動作するように構成されていることに留意されたい。また、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、実施形態にしたがって、必要に応じてＮ個のポートへ拡張され得ることが理解される。
【００３１】
図７に描写される構成では、２つの同調可能フィルタ２０および３つのポート１０が描写されているが、より多くのポート１０および同調可能フィルタ２０が同様に追加され得る。一方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート２との間に接続され、他方の同調可能フィルタ２０は、ポート１とポート３との間に接続されている。同調可能フィルタ２０のおのおのは、本明細書で論じられるように、１つまたは複数の単位セル６０から形成される。
【００３２】
ポート１とポート２との間に接続された同調可能フィルタ２０の場合、各単位セル６０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２を含む。単位セル６０において、キャパシタＣ５０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２を、グランドへ接続／分路する。２つ以上のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２が単位セル６０内で利用される場合、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２はともに直列に接続される。単位セル当たり合計してＭ個のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２が存在し、Ｍは１以上の整数である。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０は、各単位セル６０がポート１およびポート２に直列に接続され、キャパシタＣ５０がＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の一端に、およびグランドに接続されるように、１つまたは複数の単位セル６０を含む。ポート１とポート２との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに直列に接続され得、Ｎは、１以上の整数である。ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスは、Ｚ２であり、ここで
【数７】
2019537241.tif 000009
であり、角周波数はω２であり、ここで
【数８】
2019537241.tif 000010
である。各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２は、インダクタンスを有し、または、Ｌ２と指定された誘導素子であるか、あるいはその両方であることに留意されたい。
【００３３】
ポート１とポート３との間に接続された同調可能フィルタ２０のために、各単位セル６０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３を含む。単位セル６０において、キャパシタＣ５０は、１つまたは複数のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３を、グランドへ接続／分路する。２つ以上のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３が単位セル６０内で利用される場合、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３は、ともに直列に接続される。
【００３４】
単位セル当たり合計してＭ個のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３が存在し、Ｍは１以上の整数である。ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、各単位セル６０がポート１およびポート３と直列に接続され、キャパシタＣ５０が、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の一端に、およびグランドに接続されるように、１つまたは複数の単位セル６０を含む。ポート１とポート３との間の合計Ｎ個の単位セルのために、同調可能フィルタ２０では、Ｎ個の単位セル６０が繰り返され、ともに接続され得、Ｎは１以上の整数である。ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０について、各単位セルのインピーダンスはＺ３であり、ここで
【数９】
2019537241.tif 000011
であり、角周波数はω３であり、ここで
【数１０】
2019537241.tif 000012
である。各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３は、インダクタンスを有し、または、Ｌ３と指定された誘導素子である、あるいはその両方であることに留意されたい。
【００３５】
ここで、ＤＣ−ＳＱＵＩＤに関するさらなる情報が、以下に提供される。ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイス）は、当業者に周知のタイプの超伝導電子デバイスである。特に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤとして知られるタイプのＳＱＵＩＤは、２つ以上のジョセフソン接合（ＪＪ）７１０によって割り込まれた超伝導ワイヤ、超伝導薄膜金属、または他の超伝導材料から形成されるループを含む。ＳＱＵＩＤは、電流搬送ループ内に２つ以上のジョセフソン接合７１０を含む。当業者によって広く理解されるように、超伝導電流の量子干渉の原理によって、ＳＱＵＩＤ内のジョセフソン接合の、結合されたジョセフソン臨界電流は、ＳＱＵＩＤループを貫通する磁束に依存して変化する。同様に、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合によって示されるジョセフソンインダクタンスも、このような磁束（各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の磁束Φ２、および各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の磁束Φ３）に依存して異なる。さらに、ＳＱＵＩＤのアレイは、それらのインダクタンスを結合するように電気回路内に配置され得る。面内ループの磁束は、磁場がループに対して垂直な軸に対してなす角度の余弦を乗じられ、ループの全領域にわたって積分された、ループ内の磁場を含む、良く知られた、明確に定義された量を表すことが指定されている。したがって、ＳＱＵＩＤは、その近傍の磁場の大きさおよび方向の両方に対して非常に感度が高い（たとえば、磁束線７３０＿２は磁場を生成し、これによって磁束Φ２を各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２に対して発生させ、磁束線７３０＿３は磁場を生成し、これによって磁束Φ３を各ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３に対して発生させる）。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３は、それぞれ、磁束線７３０＿２、磁束線７３０＿３によって生成されたそれぞれの磁場からの磁束Φ２、磁束Φ３を受け、これによって、そのジョセフソンインダクタンス（ジョセフソンインダクタンスは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２に関するＬＪ２と、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３に関するＬＪ３とが指定される）が変更される。当業者に対して、磁場に対するこの感度は、ＳＱＵＩＤのジョセフソンインダクタンスの変化が回路の特性の有用な変化を発生させるという点で、電気回路における有用な構成要素としてＳＱＵＩＤを適用することを可能にする。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のインダクタンスＬ２およびＬ３は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２のジョセフソンインダクタンスＬＪ２およびＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３のＬＪ３にそれぞれ対応する。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のインダクタンスＬ２およびＬ３を独立して変更／制御（増加または減少）するために、磁束線７３０＿２および７３０＿３が提供される。磁束線は、一般に、磁束線７３０と称され得る。磁束線７３０＿２および７３０＿３は、ＳＱＵＩＤの「動作点」を設定するために、それぞれのＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２および７０５＿３のＳＱＵＩＤループに直交する磁気「バイアス」場を独立して印加する。磁束線７３０＿２は、磁気バイアス束Φ２を必要に応じて変化させる磁場を生成する電流Ｉ２を有する。同様に、磁束線７３０＿３は、磁気バイアス束Φ３を必要に応じて変化させる磁場を��成する電流Ｉ３を有する。したがって、ポート１とポート２、および、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０は、それぞれ一方が伝送で、他方が反射で動作するように個々に制御される。
【００３６】
ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０の（単位セル６０当たりの）インダクタンスＬ２は、Ｌ２≒ＭＬＪ２＋ＬＳとして定義され得、ここで、Ｍは、単位セル内のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿２の数であり、ＬＪ２は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合インダクタンスであり、ＬＳは、各単位セルの伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスである。各単位セル６０のインダクタンスＬ２は、主にジョセフソン接合インダクタンスＬＪ２に基づく。したがって、ジョセフソン接合インダクタンスＬＪ２は、（伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスＬＳなしで）、以下のように定義される。ジョセフソン接合インダクタンス
【数１１】
2019537241.tif 000013
ここで
【数１２】
2019537241.tif 000014
であり、Ｉ０は各ジョセフソン接合７１０の臨界電流であり、Φ２はループを貫通する磁束バイアスであり、
【数１３】
2019537241.tif 000015
（超伝導磁束量子）であり、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｅは電荷である。
【００３７】
同様に、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０の（単位セル６０当たりの）インダクタンスＬ３は、Ｌ３≒ＭＬＪ３＋ＬＳとして定義され得、ここで、Ｍは、単位セル内のＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５＿３の数であり、ＬＪ３は、ジョセフソン接合インダクタンスであり、ＬＳは、各単位セルの伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスである。各単位セル６０のインダクタンスＬ３は、主にジョセフソン接合インダクタンスＬＪ３に基づく。したがって、ジョセフソン接合インダクタンスＬＪ３は、（伝送線３０（ワイヤ）の直列インダクタンスＬＳなしで）、以下のように定義される。ジョセフソン接合インダクタンス
【数１４】
2019537241.tif 000016
ここで
【数１５】
2019537241.tif 000017
であり、Ｉ０は、（２つの）ジョセフソン接合７１０の臨界電流であり、Φ３はループを貫通する磁束バイアスであり、
【数１６】
2019537241.tif 000018
（超伝導磁束量子）であり、ここで、ｈはプランクの定数であり、ｅは電荷である。この解析において、実験は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤが、小さなループを有し、ＤＣ−ＳＱＵＩＤループの自己インダクタンスが、ＤＣ−ＳＱＵＩＤのジョセフソンインダクタンスに比べて無視できると仮定している。
【００３８】
なお、インダクタンスＬ２は、ポート１とポート２との間の同調可能フィルタ２０における伝送線と直列に接続されたＮ個の単位セル（Ｎ≧１）のうちの１つの単位セル６０のインダクタンスであり、同様に、インダクタンスＬ３は、ポート１とポート３との間の同調可能フィルタ２０における伝送線と直列に接続されたＮ個の単位セル（Ｎ≧１）のうちの１つの単位セル６０のインダクタンスであることに留意されたい。
【００３９】
本明細書で論じられる同調可能フィルタ設計は、各単位セル内の誘導素子および容量素子に関して同一の単位セルに限定されないことが、当業者によって理解されるべきである。理解の簡略化および容易化のために、同一の単位セル画像が、主にここに提示される。実際、マイクロ波フィルタ理論に基づいて単位セルを変化させることは有利となり得、フィルタ応答におけるリップルの最大振幅、フィルタの平坦度、フィルタ帯域幅、帯域内および帯域外における反射量、停止帯域における減衰量等に関するより良好なパフォーマンスをもたらす。したがって、上述した利点のうちのいずれかまたはより多くを適用するために、１つまたは複数の実施形態において、単位セルは、同一であっても、異なっていてもよいことが認識されるべきである。
【００４０】
理解されるように、超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、１つの構成において、１つの入力ポートおよびＮ個の出力ポートを有することができ、または、別の構成において、１つの出力ポートおよびＮ個の入力ポートを有することができ、あるいはその両方であり得る。デバイスのすべてのポート１０は、同じ特性インピーダンスＺ０を有する。各入力−出力対は、印加された磁束を使用して、その場でカットオフ周波数が調整され得る同調可能低域通過フィルタを介して接続されている。同調可能低域通過フィルタ２０は、誘導素子（ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）および容量素子（ランプ素子キャパシタ）のラダーを使用して実施され得る。
【００４１】
磁束線７３０＿２および７３０＿３にそれぞれ印加されるＤＣ電流Ｉ２およびＩ３を制御することによって、各鎖のインダクタンスＬ２およびＬ３を決定する磁気バイアス束Φ２およびΦ３を独立して設定することができる。これは、一方の経路（ポート１とポート２との間）が伝送であり、他方の経路（ポート１とポート３との間）が反射となる、あるいはその逆になるように、（マイクロ波信号３０５の）ω０に対して、２つの同調可能フィルタ２０のカットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を調整する。
【００４２】
（ポート１とポート２との間、または、ポート３とポート４との間の）いずれかの同調可能フィルタ２０のために反射で動作させる（すなわち、マイクロ波信号３０５を遮断させる）ために、ＤＣ電流Ｉ２、Ｉ３を増加させて、磁気バイアス束Φ２、Φ３を（コサインの１周期内で）増加させる。これはその後、インダクタンスＬ２、Ｌ３を増加させ、これによって、カットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を減少させる。反対に、（ポート１とポート２との間、または、ポート３とポート４との間の）いずれかの同調可能フィルタ２０のために伝送で動作させる（すなわち、マイクロ波信号３０５を通過させる）ために、ＤＣ電流Ｉ２、Ｉ３を減少させて、磁気バイアス束Φ２、Φ３を（コサインの１周期内で）減少させる。これはその後、インダクタンスＬ２、Ｌ３を減少させ、これによって、カットオフ角周波数ωＣ２、ωＣ３を増加させる。
【００４３】
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ７０５、キャパシタ５０（キャパシタ内の誘電体材料を除く）、磁束線７３０、伝送線３０、およびジョセフソン接合７１０は、超伝導材料製である。繰り返すが、（約１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または約４Ｋのような低温における）超伝導材料の例は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含む。ジョセフソン接合は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ニオブ等の薄い絶縁体を挟んだ２つの超伝導金属から形成された非線形素子である。
【００４４】
図８は、１つまたは複数の実施形態にしたがう超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。図８は、この実施において、同調可能フィルタ２０が同調可能高域通過フィルタであることを除いて、図１〜図７に類似している。同調可能フィルタ２０として高域通過フィルタを有することにより、誘導素子４０、７０５は、容量素子５０と置き換えられる。したがって、容量素子５０は、ポート１とポート２との間、およびポート１とポート３との間に直列とされる一方、誘導素子４０、７０５（インダクタまたはＤＣ−ＳＱＵＩＤ）は、容量素子５０の一端へ接続され、そして、グランドへ接続されている。ポート１からポート２（またはその逆）の伝送のために、以下の条件、ωＣ２＜ω０＜＜ωＣ３が適合する。ポート１からポート３（またはその逆）の伝送のために、以下の条件、ωＣ３＜ω０＜＜ωＣ２が適合する。
【００４５】
次に、図９を参照する。図９は、１つまたは複数の実施形態にしたがうＮポート超伝導マイクロ波ルータ１００の概略図である。Ｎポート超伝導マイクロ波ルータ１００は、関連するフィルタを適切な磁束バイアスポイントへ束付勢する関連する磁束線への電流パルスを使用して、その場で、ポート１０の任意の対の間で形成された接続が存在するように一般化／設計される。たとえば、マイクロ波信号３０５がポート１０に到達する瞬間（または、ほぼその瞬間）に、マイクロ波信号３０５を伝送するためにポート１０の任意の対の間で接続がなされ得る一方、他のすべてのポート１０は、（それぞれの同調可能フィルタ２０を経由して）マイクロ波信号３０５を遮断する。したがって、マイクロ波信号３０５は、本明細書で論じられる原理にしたがって（その場で）ポート１０の任意の対の間に経路付けられ得る。
【００４６】
Ｎポート超伝導マイクロ波ルータ１００は、ポート１、ポートＩ、ポートＪ乃至ポートＮを含む。ポート１〜Ｎのおのおのは、個々のポート１０が、ノード９０５に接続する同調可能フィルタ２０に接続するように、それ自身の同調可能低域通過フィルタ２０を有する。図１〜図８において広範に上述された特徴は、図９に適合し、説明の簡潔のため、および、図９を不明瞭にすることを避けるために、繰り返されない。すべてのポート１〜Ｎは対称性があり、同じ立場にある（これは、上述した超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００とは異なる）。同じ立場にあることは、ノード９０５が、すべてのポート１〜Ｎを接続する中心接続であり、各ポート１０が、それ自身の同調可能フィルタ２０を有し、各同調可能フィルタ２０が、そのカットオフ周波数を調整するための自身の磁束線（ＦＬ）を有することを意味する。
【００４７】
一例として、ポートＮからポートＩへマイクロ波信号３０５を経路付けるために、ポートＮとノード９０５との間、およびポートＩとノード９０５との間の両方の同調可能フィルタ２０が、伝送となるように調整される必要があり、同時に、残りすべての同調可能フィルタ２０が、反射となるように調整される。これによって、マイクロ波信号３０５は、ポートＮからその同調可能フィルタ２０へ、ノード９０５へ、ポートＩに接続された同調可能フィルタ２０へと伝送され、その後、ポートＩへ伝送される。
【００４８】
ノード９０５に関して、いくつかの技術的詳細が論じられる。一般に、ノード９０５は、２つの理由により、できるだけ小さく、理想的には、デバイス動作において使用される波長に関してまとめられるべきである。１）経路付けられた信号の伝送を制限し得る反射を最小限に抑える。２）ノード９０５へ多数の伝送線を接続することを可能にする。さらに、多数の伝送線を共通ノード９０５に接続する能力は、高インピーダンス（非常に狭い）ワイヤを使用することを要求し得る。その結果、１つの実施において、フィルタが（反射を最小にするために）伝送で動作している場合、接続している線のインピーダンスに整合する特性インピーダンスを有する同調可能フィルタを設計することを必要とし得る。最後に、同調可能フィルタの特性インピーダンスが、デバイスポートの特性インピーダンスと異なる場合、（伝搬信号のためのスムーズな伝送を可能にするために）特定の整合ネットワークが設計され、フィルタとデバイスとの間に組み込まれ得る。
【００４９】
図１０は、１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１０００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００５０】
ブロック１００５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１０１０において、同調可能フィルタ２０が提供され、ポート１０に接続され、複数のポート１０のおのおのが、同調可能フィルタ２０の対応する同調可能フィルタを有するようになる。
【００５１】
同調可能フィルタ２０は、ノード９０５（導電性接続点）に接続している。複数の磁束線（ＦＬ）７３０が提供され、複数の磁束線７３０の個々の１つが、同調可能フィルタ２０の個々の１つを１対１ベースで同調させるようになる。（磁束線、電流伝送線、同調可能磁石のような）複数の磁力源が提供され、複数の磁力源の個々の１つが、同調可能フィルタ２０の個々の１つを、１対１ベースで同調させることができる。１つの同調可能フィルタを制御する１つの磁束線のこの画像は、単純化され得ることに留意されたい。これは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの応答／インダクタンスが、そのループを貫通する全磁束によって決定され、したがって、他の磁束線の電流のあらゆる変化が、原理的に、ＤＣ−ＳＱＵＩＤが受ける磁束バイアスを変更でき得るからである。もちろん、他の磁束線による誘導磁束は、他の磁束線とＤＣ−ＳＱＵＩＤとの間の距離に応じて大幅に低下するので、それらの距離を十分に離しておくことで、実験者はその寄与を大幅に低減することができる。それにも関わらず、１つのフィルタの磁束バイアスを調整するために、近くの磁束線に流れる電流に多くの変化を加えて、電流が様々な制御されたフィルタにおいて所望の磁束バイアスを生じさせるような１つまたは複数のシナリオが存在し得る。
【００５２】
同調可能フィルタ２０は、超伝導材料を含む。超伝導温度（たとえば、１０〜１００ミリケルビン（ｍＫ）、または４Ｋ）における例示的な超伝導材料は、ニオブ、アルミニウム、タンタル等を含み得る。
【００５３】
同調可能フィルタ２０は、同調可能無損失低域通過フィルタ（losslesslow-pass filter）であり得る。複数のポート１０のうちの任意のポート（たとえば、ポート１）は、複数のポート１０のうちの他の任意のポート（ポート２）にマイクロ波信号３０５を伝送するように構成されている。複数のポート１０のうちの任意のポートのための同調可能フィルタ２０のうちの対応する同調可能フィルタと、複数のポート１０のうちの他の任意のポートのための同調可能フィルタ２０のうちの対応する同調可能フィルタとは、両方とも、信号３０５を伝送する（すなわち、伝送状態にある）ように調整されるように構成される一方、同調可能フィルタ２０のうちの他のすべての同調可能フィルタは、信号を遮断するように調整されるように構成されている。無損失低域通過フィルタのおのおのは、伝送線の中心導体と直列に接続され、キャパシタによってグランドへ分路された１つまたは複数のＤＣ  ＳＱＵＩＤを含む。同軸ケーブルのような伝送線は、中心導体および外周導体を有することが認識されるべきである。
【００５４】
図１１は、１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１１００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００５５】
ブロック１１０５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１１１０において、同調可能フィルタ２０は、複数のポート１０に接続され、複数のポート１０のおのおのは、同調可能フィルタ２０のうちの同調可能フィルタに関連付けられ、同調可能フィルタ２０のおのおのは、超伝導量子干渉デバイス７０５を含む。同調可能フィルタ２０は、低域通過フィルタであり得る。同調可能フィルタ２０は、高域通過フィルタであり得る。
【００５６】
図１２は、１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１２００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００５７】
ブロック１２０５において、ノード９０５が、中心接続点として提供される。ブロック１２１０において、同調可能フィルタ２０が、ノード９０５へ接続され、ノード９０５では、同調可能フィルタ２０が、マイクロ波信号３０５を伝送するための第１の状態（すなわち、伝送のための動作モード）へ独立して調整され、マイクロ波信号３０５を遮断するための第２の状態（すなわち、反射のための動作モード）へ独立して調整されるように構成され、これによって、同調可能フィルタ２０のいずれかの同調可能フィルタが、ノード９０５を介して同調可能フィルタ２０の他の任意の同調可能フィルタへ信号を伝送するように構成されるようになる。
【００５８】
同調可能フィルタ２０のうちのいずれかと、同調可能フィルタ２０のうちの他のいずれかとは、両方とも、第１の状態にあるように構成される一方、残りすべての同調可能フィルタ２０は、第２の状態にあるように構成され、これによって、ノード９０５を介して、同調可能フィルタ２０の任意の同調可能フィルタから、同調可能フィルタ２０のうちの他の任意の同調可能フィルタへマイクロ波信号３０５が伝送されるようになる。
【００５９】
図１３は、１つまたは複数の実施形態にしたがう無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を構成する方法のフローチャート１３００である。本明細書で論じられる図１〜図９に対する参照がなされ得る。
【００６０】
ブロック１３０５において、複数のポート１０が提供される。ブロック１３１０において、複数のポート１０の第１の対は、その間に接続された少なくとも１つの同調可能フィルタ２０を有し、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号３０５を伝送するように構成されている。ブロック１３１５において、複数のポート１０の第２の対は、その間に接続された別の同調可能フィルタ２０を有し、同調可能フィルタ２０は、マイクロ波信号を反射するように構成されている。
【００６１】
量子信号の循環は、量子情報処理において重要な役割を果たす。これにより、オペレータは、同じ伝送線において伝搬する到来信号と出射信号とを分離することができる。これは、反射状態において（量子ビットのような）デバイスを測定するときに特に有用である。
【００６２】
最新技術の市販の極低温サーキュレータは、嵩張り（それによって、スケーラビリティを制限し）、０．５〜１ｄＢ程度の有限の損失を有し（それによって、量子情報の一部が喪失され）、超伝導回路と干渉する可能性がある強い磁場を使用する。また、最新技術のサーキュレータは、チップ上に容易に集積することができない磁性材料であるフェライトを使用している。
【００６３】
これらすべての理由から、オンチップ無損失サーキュレータが必要とされている。実施形態は、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００をサーキュレータとして利用することによって、オンチップ無損失サーキュレータを提供する。量子信号の経路付けは、スケール可能な量子プロセッサアーキテクチャにおいて特定の役割を果たすことが期待されている。そのような能力は、オペレータが、量子ビットを駆動し、結合し、そして読み出すために使用される入力線および出力線の数、および、ハードウェア／構成要素の量を大幅に減らすことを可能にする。図１４は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、（たとえば、任意の選択された／所望された瞬間に）その場で、ノードの任意の対の間を接続することができる、量子信号のための無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の概略図である。無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、本明細書で論じるように、閉じられる（すなわち、伝送）または開かれる（すなわち、反射）ことが可能なスイッチとして動作する同調可能フィルタ２０を含む。したがって、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、２つの動作モードを有すると考慮され得る。第１のモードでは、すべてのノード／ポートは、動作周波数において反射的である。第２のモードでは、２つのノード／ポートがともに接続され、動作周波数における量子信号は、単一の伝送で、２つのノード／ポート間で伝送され得、他のすべてのノード／ポートは分離されている。
【００６４】
図１５、図１６、図１７、および図１８は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００をサーキュレータとして利用する３つのポート間の循環を例示する。
【００６５】
図１５は、すべての同調可能フィルタ２０が反射状態にある無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を描写する。したがって、各同調可能フィルタ２０は、この時点では、開かれたスイッチとして機能し、その結果、量子信号は通過できない。
【００６６】
図１６は、１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間での量子信号の伝送を許可する構成における無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を描写する。図１６では、伝送は、この時点において、ポート２とポート３との間（両方向）にある。量子信号はマイクロ波信号である。マイクロ波信号３０５は、例示されている双方向伝送に対して３０５Ａおよび３０５Ｂとして指定されている。したがって、ポート３に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能し、ポート２に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能する一方、ポート１に接続されたすべての同調可能フィルタ２０は、開かれたスイッチ（すなわち、反射状態にある）として機能するので、例示的な量子信号３０５Ａおよび３０５Ｂが、ポート２とポート３との間で伝送され得る。
【００６７】
図１７は、１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間での量子信号の伝送を許可する構成における無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を描写する。図１７では、伝送は、この時点において、ポート１とポート２との間（両方向）にある。したがって、ポート１に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能し、ポート２に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能する一方、ポート３に接続されたすべての同調可能フィルタ２０は、開かれたスイッチ（すなわち、反射状態にある）として機能するので、量子信号３０５Ａおよび３０５Ｂが、ポート１とポート２との間で伝送され得る。
【００６８】
図１８は、１つまたは複数の例にしたがって、２つのポート間での量子信号の伝送を許可する構成における無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００を描写する。図１８では、伝送は、この時点において、ポート１とポート３との間（両方向）にある。したがって、ポート１に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能し、ポート３に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能する一方、ポート２に接続されたすべての同調可能フィルタ２０は、開かれたスイッチ（すなわち、反射状態にある）として機能するので、量子信号３０５Ａおよび３０５Ｂが、ポート１とポート３との間で伝送され得る。
【００６９】
図１５、図１６、図１７、図１８において見られ得るように、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、第３のポートを分離しながら、１つのポートから別のポートへの信号の通過を許可するサーキュレータとして動作するように構成され得る。例示のために３つのポートが図示されているが、サーキュレータを動作させるための概念は、３つよりも多くのポートにも適合することが認識される。
【００７０】
サーキュレータとしての動作をさらに例示するために、図１９、図２０、図２１、および図２２は、１つまたは複数の実施形態にしたがう時間依存の部分的な循環を描写する。図１９、図２０、図２１、および図２２は、共振器−量子ビットシステム（resonator-qubit system）の入力信号と出力信号との分離を例示する。図１９、図２０、図２１、および図２２において、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、ポート１として指定されているＩＮ信号ポートと、ポート２として指定されているＯＵＴ信号ポートと、ポート３とを有する。ポート３は量子システム１６５０に接続されている。量子システム１６５０は、共振器１６２０および量子ビット１６１５であり、共振器−量子ビットシステムと称され得る。当業者に理解されるように、量子ビット１６１５および共振器１６２０は、容量的に接続され得、二次元キャビティ内で接続され得、または、三次元キャビティ内で接続され得、あるいは、これらの組合せであり得る。ポート１は、自身の同調可能フィルタ２０を有し、ポート２は、自身の同調可能フィルタ２０を有する。しかしながら、ポート３は、自身の同調可能フィルタを有しておらず、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００の共通ノード９０５に継続的に接続されている。
【００７１】
図１９、図２０、図２１、および図２２は、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００のポート３に接続された遅延線（または、遅延バッファ）１６０５を図示する。結合キャパシタ１６１０は、遅延線１６０５を、量子システム１６５０の共振器１６２０に接続する。
【００７２】
図１９は、１つの実施形態にしたがう時間ｔ１における例示的なシナリオを描写する。時間ｔ１において、入力ポート１に接続された同調可能フィルタ２０は、閉じられたスイッチ（すなわち、伝送状態にある）として機能している。読出信号３０５が、ポート１で受信される。読出信号３０５は、周波数ｆｒおよびパルス持続時間Ｔｐを有する読出パルスである。周波数ｆｒは、読出共振器１６２０の共振周波数である。読出共振器１６２０は、量子ビット１６１５の状態を読み出すように設計されている。読出共振器１６２０は、共振器帯域幅κを有する。遅延線／バッファ１６０５は、Ｔｄである時間遅延持続時間を有する。時間遅延および読出パルスの持続時間は、Ｔｄ＞Ｔｐの関係を有する。
【００７３】
時間ｔ１において、ＩＮポート１に読出信号３０５が入力され、伝送線３０上で伝送され、ポート３へ伝送される。時間ｔ１において、ポート２上の同調可能フィルタ２０は、開かれたスイッチとして機能しているので、読出信号３０５はＯＵＴポート２を出ることができない。
【００７４】
時間を先に進め、図２０は、１つの実施形態にしたがう時間ｔ２における例示的なシナリオを描写する。時間ｔ２において、読出信号３０５は、読出共振器１６２０に伝送される前に、遅延線／バッファ１６０５によって、時間遅延持続時間Ｔｄだけ遅延される。この時点で、ＩＮポート１に接続された同調可能フィルタ２０は、まだ閉じられている（すなわち、入力スイッチが閉じられている）。時間遅延Ｔｄは、戻り読出信号が、読出共振器１６２０から伝送される前に、ポート２上の同調可能フィルタ２０が、閉じるように切り替わる（すなわち、閉じられたスイッチとして動作する）ための時間を提供し、また、ポート１上の同調可能フィルタ２０が、開くように切り替わる（すなわち、開かれたスイッチとして動作する）ための時間を提供する。Ｔｄ＞Ｔｐであるので、反射された読出信号が読出共振器１６２０から戻る前に、読出信号３０５のパルスは、ＩＮポート１での伝送を完了することを可能とされる。
【００７５】
さらに時間を先に進め、図２１は、１つの実施形態にしたがう時間ｔ３における例示的なシナリオを描写する。時間ｔ３において、読出信号３０５は、遅延線／バッファ１６０５による時間遅延Ｔｄ後に、読出共振器１６２０に到達し、反射された読出信号３０５’（たとえば、戻り読出信号）が、読出共振器１６２０から伝送／反射され始めている。反射された読出信号３０５’は、同様に、遅延線／バッファ１６０５によって、Ｔｄである時間遅延持続時間だけ遅延されてから、ＯＵＴポート２へ伝送される。この時点で、ＩＮポート１に接続された同調可能フィルタ２０は開かれており（すなわち、入力スイッチが開かれており）、ＯＵＴポート２に接続された同調可能フィルタ２０は閉じられている（すなわち、出力スイッチが閉じられている）。時間遅延Ｔｄは、戻り読出信号３０５’が、ＩＮポート１へ伝送されないように（ＩＮポート１に接続された）同調可能フィルタ２０が開くように切り替わるための遷移時間を提供する。
【００７６】
さらに時間に先に進め、図２２は、１つの実施形態にしたがう時間ｔ４における例示的なシナリオを描写する。時間ｔ４において、戻った／反射された読出信号３０５’がちょうどＯＵＴポート２に到達している。反射された読出信号３０５’は、量子ビット１６１５の状態情報とともに読出共振器１６２０から伝送され、遅延線／バッファ１６０５を通って進み、ポート３を通って進み、ＯＵＴポート２を出る。時間ｔ４において、（ＩＮポート１に接続された）同調可能フィルタ２０は、反射された読出信号３０５’がＩＮポート１を出ることができないように、開かれたスイッチとして機能している。遅延線／バッファ１６０５によって提供される遷移時間は、反射された読出信号３０５’のいずれもが、（ＩＮポート１に接続された）同調可能フィルタ２０が遷移中（閉じられたスイッチから、開かれたスイッチへの切り替え中）に、ＩＮポート１を出ることができないことを保証する。１つの実施態様では、遅延線／バッファ１６０５は、読出信号３０５および戻り読出信号３０５’を、時間遅延持続時間Ｔｄだけ遅延させるのに適した長さを有する伝送線であり得る。８０ナノ秒の例示的な読出パルス持続時間の場合、遅延線／バッファ１６０５は、非常にコンパクトな方式で、小さなチップ上に製造された数メートルの伝送線であり得る。図１９、図２０、図２１、および図２２において提供されたシナリオは、ＩＮポート１がＯＵＴポート２から分離されるように、反射された読出信号３０５’がＯＵＴポート２を介して返される、ＩＮポート１を介して入力された読出信号３０５を例示する。当業者に理解されるように、反射された読出信号３０５’は、量子ビット１６１５に関する量子情報とともに戻る。
【００７７】
図１４、図１５〜図１８、図１９〜図２２において上述したように、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００は、時間依存スイッチングを使用してマイクロ波領域で量子信号を経路付けるためのサーキュレータである。いくつかの詳細は、図面を曖昧にしないように図１４、図１５〜図１８、図１９〜図２２に図示されていないが、存在していると理解される。図１５〜図１８、図１９〜図２２におけるサーキュレータ（無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータ１００）の内部詳細は、本明細書で論じられる図５、図６、図７、および図８における説明と類似している。特に、３つのポートが図示されており、２つのポートだけが自身の同調可能フィルタ２０を有する。図１４は、各ポートが自身の同調可能フィルタ２０を有する図９に類似している。
【００７８】
図１４、図１５〜図１８、図１９〜図２２は、同調可能フィルタ２０に近接する個々の磁束線７３０を図示しておらず、磁束線７３０は、同調可能フィルタ２０を開かれたスイッチおよび閉じられたスイッチとして機能するように制御している制御線であることに注目されたい。磁束線７３０における電流は、同調可能フィルタ２０をいつ開き（反射状態で動作する）、いつ閉じる（伝送状態で動作する）のかを決定する時間依存の制御信号である。たとえば、コントローラ１６６０が、図１４、図１５〜図１８、図１９〜図２２に図示されており、コントローラ１６６０は、同調可能フィルタ２０が、コントローラ１６６０によって制御されるように、開かれたスイッチとして動作するように、または、閉じられたスイッチとして動作するように、それぞれの同調可能フィルタ２０を調整するそれぞれの磁束線（flux line）７３０に個々の制御信号（すなわち、電流）を加えるように構成されている。
【００７９】
例として図１９〜図２２を取り上げると、コントローラ１６６０は、ＩＮポート１に接続された同調可能フィルタ２０を、時間ｔ１およびｔ２において、閉じられたスイッチとして動作させ、時間ｔ３およびｔ４において開かれたスイッチとして動作させるように構成されている。コントローラ１６６０は、ＯＵＴポート２に接続された同調可能フィルタ２０を、時間ｔ１およびｔ２において、開かれたスイッチとして動作させ、時間ｔ３およびｔ４において、閉じられたスイッチとして動作させるように構成されている。コントローラ１６６０は、ＩＮポート１に関連付けられた磁束線７３０と、ＯＵＴポート２に関連付けられた磁束線７３０とに接続され、ＩＮポート１に関連付けられた磁束線７３０と、ＯＵＴポート２に関連付けられた磁束線７３０とを流れる電流を制御する。１つの実施態様では、コントローラ１６６０は、プロセッサ（またはマイクロコントローラ）、メモリ、タイミングメカニズム等を含み得る。コントローラ１６６０は、メモリ内の命令を実行するように構成され、その命令は、同調可能フィルタ２０の動作（たとえば、開かれたスイッチ、または閉じられたスイッチ）を制御する制御信号のタイミングを制御する。コントローラ１６６０は、磁束線７３０に電流を供給する１つまたは複数の電圧源、電流源、または電源、あるいはその組合せを制御するように構成されている。コントローラ１６６０はコンピュータであり得る。
【００８０】
１つの実施態様では、コントローラ１６６０は、アナログデバイスであり得るか、またはアナログデバイスを含み得る。コントローラ１６６０は、同調可能フィルタ２０が所望通りに調整されるように磁束線７３０に所望量の電流を印加する時限スイッチ、またはリレー、あるいはその両方を含み得る。
【００８１】
コントローラ１６６０は、あらかじめ定義されたタイミングパターンにしたがって、開かれたスイッチおよび閉じられたスイッチとして動作するように同調可能フィルタ２０を調整できることが認識されるべきである。
【００８２】
図２３は、１つまたは複数の実施形態にしたがって超伝導ルータ１００を構成する方法のフローチャート１７００である。図１〜図１４、図１５〜図１８、および図１９〜図２２に対する参照がなされ得る。
【００８３】
ブロック１７０５において、超伝導ルータ１００は、（たとえば、あらかじめ定義された時間にしたがって）第１のモードにおいて（たとえば、コントローラ１６６０からの制御信号を介して）動作するように構成され、すべてのポート１０は、信号３０５を反射するために、第１のモードにおいて、反射状態にあるように構成されている。
【００８４】
ブロック１７１０において、超伝導ルータ１００は、（たとえば、あらかじめ定義された別の時間にしたがって）第２のモードにおいて（たとえば、コントローラ１６６０からの制御信号を介して）動作するように構成され、ポート１０の所与の対（たとえば、図１４におけるポート２および５）は、第２のモードにおいて、ともに接続され、伝送状態にあり、信号３０５が、ポート１０の所与の対の間を通過することを許可されるようにしている。
【００８５】
ポート１０は、あらかじめ定義された信号３０５の周波数について、第１のモードにおいて、反射状態にある。ポートのうちの所与の対は、あらかじめ定義された周波数について、第２のモードにおいて、伝送状態にある。
【００８６】
ポート１０は、互いに分離されるように構成され、任意のポート１０が、それぞれの同調可能フィルタ２０を制御することによって、別のポート１０から分離されるように制御可能であるようにしている。
【００８７】
超伝導ルータ１００は、超伝導材料を含む。ルータ１００は、ポート１０に関連付けられた同調可能フィルタ２０を含み、同調可能フィルタが、必要に応じて第１のモードおよび第２のモードにおいて動作するように制御可能となるようにしている。同調可能フィルタ２０は、第１および第２のモードにおいて、あらかじめ定義された要件にしたがって、開かれたスイッチおよび閉じられたスイッチとして動作するように構成されている。第２のモードでは、あらかじめ定義された信号の周波数について、ポートのうちの所与の対が、伝送状態にある一方、ポートうちの他のポートが、反射状態にある。
【００８８】
信号３０５（３０５Ａ、３０５Ｂ、および３０５’を含む）はマイクロ波領域にある。ポートのうちの所与の対は時間依存性があり、ポートのうちの所与の対の選択が、あらかじめ定義された時間スキームにしたがって変化するように構成されるようにしている。ポートのうちの所与の対は、ポートから任意に選択されるように構成されている。ポートのうちの所与の対は、あらかじめ定義された時間において、ポートから選択されるように構成されている。ルータは、超伝導材料を有する無損失マイクロ波スイッチ１００である。
【００８９】
図２４は、超伝導サーキュレータ１００を構成する方法のフローチャート１８００である。図１〜図１４、図１５〜図１８、図１９〜図２２、および図２３に対する参照がなされ得る。
【００９０】
ブロック１８０５において、超伝導サーキュレータ１００は、（たとえば、図１９に描写されるように）出力ポートが反射状態にある間、入力ポート（たとえば、ポート１）において、読出信号３０５を受信するように、（たとえば、コントローラ１６６０からの制御信号を介して）動作するように構成されている。読出信号は、たとえば図２０に描写されるように、共通ポート（たとえば、ポート３）を介して量子システム１６５０に伝送される。読出信号３０５は、たとえば図２１に描写されるように、反射された読出信号３０５’を量子システム１６５０から共振させるように構成されている。
【００９１】
ブロック１８１０において、超伝導サーキュレータ１００は、図２２に描写されるように、入力ポート（たとえば、ポート３）が反射状態にある間、出力ポート（たとえば、ポート２）において、反射された読出信号３０５’を出力するように動作するように構成されている。
【００９２】
遅延線１６０５は、読出信号３０５および反射された読出信号３０５’の伝送を遅延させる。遷移時間（たとえば、遅延時間Ｔｄ）は、伝送状態にある入力ポートの動作と、反射状態にある入力ポートの動作とを切り替えるために提供され、遅延線１６０５は、遷移時間を引き起こす。量子システム１６５０は、量子ビット１６１５に動作可能に接続された読出共振器１６２０を含む。反射された読出信号３０５’は、量子ビット１６１５の量子情報を含む。
【００９３】
第１の同調可能フィルタ２０は、入力ポート（たとえば、ポート１）に接続され、第１の同調可能フィルタ２０が、入力ポートが伝送状態または反射状態で動作することを許可するようにしている。同様に、第２の同調可能フィルタ２０は、出力ポート（たとえば、ポート２）に接続され、第２の同調可能フィルタ２０が、出力ポートが伝送状態または反射状態で動作することを許可するようにしている。超伝導サーキュレータ１００は、超伝導材料を有する無損失マイクロ波スイッチである。
【００９４】
技術的効果および利点は、無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータを含む。技術的利点はさらに、伝送された信号の低減衰＜０.０５ｄＢ（デシベル）、（磁束線とＳＱＵＩＤとの間の相互インダクタンスに応じた）ナノ秒におけるような高速スイッチング（共振器なし）、および、比較的大きな帯域幅（ｂｗ）＞２８０メガヘルツ（ＭＨｚ）（これは、単位セルにおけるある変動を許容することによって著しく高められ得る）を含む。また、技術的利点はさらに、比較的大きなオン／オフ比＞２０ｄＢを含む。無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータは、より多くのＳＱＵＩＤを追加し、臨界電流を増加させることにより、比較的大きな電力＞−８０ｄＢｍ（０ｄＢｍは、１ミリワットに相当する）を許容し得る。無損失／超伝導マイクロ波スイッチ／ルータは、４Ｋで動作するようにＮｂ個のジョセフソン接合で製造され得、任意の周波数範囲について設計され得、１入力−Ｎ出力（またはその逆）まで拡張され得るスケール可能なスキームを提供する。
【００９５】
「約」という用語およびその変形は、本願の出願の時点で利用可能な機器に基づく特定の量の測定に関連付けられた誤差の程度を含むことが意図されている。たとえば、「約」は、所与の値の±８％または５％、または２％の範囲を含み得る。
【００９６】
本発明の態様は、本明細書において、本発明の実施形態にしたがう方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品のフローチャート図またはブロック図あるいはその両方を参照して説明される。フローチャート図またはブロック図の各ブロックあるいはその両方、およびフローチャート図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施され得ることが理解されよう。
【００９７】
図面におけるフローチャート図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態にしたがうシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能、および動作を例示する。これに関して、フローチャート図またはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能を実施するための１つまたは複数の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、または命令の一部を表すことができる。いくつかの代替実施態様では、ブロックに注記されている機能は、図面に注記された順序から外れて起こり得る。たとえば、連続して図示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、また、関連する機能に応じてブロックが逆の順序で実行されてもよい。また、ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロック、および、ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方のブロックの組合せは、指定された機能または動作を実行する、または、専用のハードウェアとコンピュータ命令の組合せを実行する、専用のハードウェアベースのシステムによって実施され得ることにも留意されたい。
【００９８】
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的のために提示されたものであり、網羅的、または本明細書で説明された実施形態に限定されるように意図されていない。説明された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者に明らかになるであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する現実的な応用または技術的な改良を最も良く説明するために、または、他の当業者が、本明細書で説明された実施形態を理解できるように選択された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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